摘要：为了提高电网的电能质量，使用有源电力滤波器对谐波电流进行补偿是常用方法之一。非线性负载不控整流产生的畸变电流具有很高的变化率。双极性调制的单相全桥拓扑采用传统单周控制方法时，由于APF的补偿电流无法及时变化，导致了电网电流在电流突变时刻存在畸变。本文提出了一种采用负载电流微分补偿的方法，改善了负载电流突变时刻的补偿效果。分析了补偿原理并提出了实现方法，利用MATLAB/Simulink进行仿真，并证明了该方案能够明显降低电网电流畸变。 关键词：有源电力滤波器；单相全桥变流器；单周控制；负载电流微分补偿 One-cycle Controlled APF Based on Load Current Derivative Compensation ABSTRACT: To improving the electric power quality, Active Power Filter (APF) is commonly used. The distorted current, which is produced by non-linear load, has a steep change due to uncontrolled current rectification. Implementing classical one-cycle-control scheme，The dual-polarity modulated Single-phase full-bridge is hardly to gain enough current to compensate the distortion current of non-linear load. The load current derivative compensation scheme is proposed to improve the performance of APF. Theatrical analysis and implement schematic are presented. Using MATLAB/Simulink, the result of simulation shows that the total harmonic will greatly reduced. KEY WORD: Active Power Filter；Single-phase Full-bridge Converter；One Cycle Control；Load Current Derivative Compensation 0 引言 智能配电网是未来电网的发展趋势，随着智能配电网的发展，对电网内电能质量的要求也越来越严格。然而电网中的变流设备与非线性负载的增加亦使得谐波问题也日益严重。为了解决两者的矛盾，采用有源电力滤波器(Active Power Filter, APF)是一种抑制谐波的有效手段。目前常用的控制方法有三角波控制，滞环比较控制，电压空间矢量控制[1-3]。但三角波控制的控制环带宽低，响应速度慢，电流畸变大；滞环比较控制的开关频率不固定，滤波困难；电压空间矢量控制策略复杂，增加了电路的复杂度，成本较高[4-6]。 单周控制(One Cycle Control, OCC)是从20世纪90年代提出的一种大信号非线性控制理论[7]。其基本思想是使每个开关周期中开关变量的平均值严格等于或正比于控制参考量[8]。单周控制与常规控制相比，在APF上应用的优点是：响应速度快，控制稳定性好，无需谐波检测模块[9-13]。本文为了改进单相全桥并联型APF在传统双极性调制的单周控制下对负载电流的补偿效果，有针对性地增加了负载电流微分补偿模块，有效改善了负载电流突变时的补偿效果，减少了补偿后的电网电流的总谐波畸变率(THD)。 1 单周控制双极性调制APF 单相全桥并联型APF主电路如图1所示。APF与非线性负载并联。由APF产生与非线性负载电流iL所包含的谐波成分大小相同，方向相反的补偿电流ic，从而将电网电流is补偿成正弦电流。 图1 并联型APF结构图 Fig.1 Structure diagram of shunt APF 1.1 单周控制原理 为简化电路模型，假设[13]： 1）全桥电容电压Vc高于交流电源电压Vs的峰值。 2）全桥开关频率远远大于电网频率，因此在一个开关周期内电网电压近似是恒定值。 3）储能电容足够大，一个开关周期内其电压为恒定值。 在双极性调制下，开关S1、S4与S2、S3的驱动信号互补，共有两种工作状态。设开关动作周期为Ts， S1、S4驱动信号占空比为D，因此S1、S4开通时间为 。S2、S3开通时间为 。 由图1可知，当S1、S4开通时，电感两端的电压VL与电网电压Vs和APF电容电压Vc的关系为： （1） 当S2、S3开通时，VL与Vs和Vc的关系为： （2） 因为开关频率远大于电网频率，由伏秒平衡原理可得，电感电压在一个周期内平均值不变： （3） 式（3）经过化简得： （4） 如APF完全补偿谐波电流，此时电网电流is即变成与Vs同相位的正弦电流。电源的负载相当于一个纯电阻Re，可得： （5） 式（5）即为APF补偿的控制目标。当使用硬件传感器进行电流is的采样时，由于硬件本身存在内阻Rs，所以令： （6） 将式（5）和（6）代入式（4）得： （7） 由前述假设条件可将式（7）近似为： （8） 依据式（8）可得并联型APF的单周控制如图2所示。 图2 单周控制并联型APF Fig.2 OCC of shunt APF 通过对直流侧电容采样的Vc与参考电压Vref比较后经PI控制器得到Vm，积分器在每个采样周期对Vm积分，积分值与 进行比较。当 的时刻，比较器反转，通过RS触发器使全桥从S1、S4开通转换为S2、S3开通，积分器清零。 1.2 传统方法仿真 使用MATLAB/SIMULINK进行仿真，设置电源电压Vs有效值为220V，频率50Hz。APF全桥电路输出串联电感L为1.75mH，并联电容C为10mF，开关频率20kHz。负载为具有串联电感与并联电容的单相不控整流负载，整流桥的负载电阻为30Ω，串联电感为2mH，并联电容取为1mF。 通过仿真后得到补偿前后的电网电流对比如图3所示，未采用APF时电网电流的THD值为85.25%，采用APF补偿后的电网电流的THD值降到14.79%， THD对比如图4所示。可见采用APF后能有效抑制非线性负载引起的电网电流中的谐波成分。 图3 传统单周控制补偿效果 Fig.3 Compensation effect of traditional OCC 图4 THD对比 Fig.4 THD comparison 2 改进单周控制方法 由图3可知，采用APF补偿后电网电流的波形得到很大改善，但在非线性负载电流发生突变的时刻，即峰值左右时刻，补偿后的电流仍有较明显的畸变。本文主要针对传统单周控制在非线性负载电流突变时，补偿电流畸变的情况，提出了一种负载电流微分补偿方法。 2.1传统方法补偿畸变分析 由于APF的开关频率一般在20kHz左右，传统单周控制可以满足一般的电流跟踪要求。但对于整流型负载的电容充电电流，具有很高的谐波含量。以本案为例，非线性负载的电流THD为85.25%。 在峰值充电电流的前后沿，非线性负载电流的diL/dt很大。采用传统单周控制时，补偿电流无法及时跟随负载电流的变化。从而导致当负载电流突然增大时，发生欠补偿；当负载电流急剧减少时，发生过补偿。如图5所示，其中iL为非线性负载电流，is为APF实际补偿后电网电流电流，if为APF理想补偿后的电网电流。从0.144s到0.146s负载电流iL快速上升的过程中，is大于 if ，APF处于欠补偿状态；从0.146s到0.148s负载电流iL快速下降的过程中，is开始逐渐小于 if ，APF处于过补偿状态。因此补偿后的电网电流发生一定畸变。 图5 各电流波形 Fig.5 Waveforms of various currents 2.2负载电流微分补偿 为了改善APF的补偿效果，本文在电流反馈信号中加入一定权重的 ，以提高系统对非线性负载电流快速变化的响应速度。负载电流微分补偿模块如图6所示。 图6 负载电流微分补偿模块 Fig.6 Load current derivative compensation module 在电网电流反馈信号中加入一定权重的负载电流微分，将 代替 作为电流反馈给入电流环，其中kp为负载电流微分权重。此时式（7）可变为： （9） 如图7所示，当0.144s到0.146s负载电流上升导致电网电流逐渐欠补偿时，Kp( )大于0，反馈中增加|Kp( )|使得S1与S4开关开通时间增加，提高补偿电流，防止欠补偿，从而减小电网电流is的值。当0.146s到0.148s负载电流下降导致电网电流逐渐过补偿时，Kp( )小于0，反馈中减少|Kp( )|使得S1与S4开关开通时间减少，减少补偿电流，抑制过补偿，从而增加电网电流is的值。因此引入负载电流微分补偿模块能够在电流突变过程中改善APF的补偿效果。 图7 负载电流微分补偿 Fig.7 Load current derivative compensation 3 仿真验证 引入负载电流微分补偿后，可以得到改善后的单周控制如图8所示，其中Kp( )可通过传统微分电路实现： 图8 改进的单周控制并联型APF Fig.8 Improved OCC of shunt APF 使用MATLAB/SIMULINK进行仿真验证，试验条件与1.2节相同。 负载电流微分补偿模块Kp设置为100。其他电路参数设置与传统方法相同，两种方法补偿后is对比波形如图9所示。 图9 电流波形对比 Fig.9 Current waveforms comparison 增加负载电流微分补偿环节后is负载电流突变时刻的APF先欠补偿后过补偿导致的畸变得到明显改善，THD值从传统方法补偿后的14.79%下降到11.04%，如图10所示。 图10 THD对比 Fig.10 THD comparison 更改非线性负载电阻为20Ω，并联电容为200uF，比较两种方法的补偿效果。如图11所示。 图11 电流波形对比 Fig.11 Current waveforms comparison 图12 THD对比 Fig.12 THD comparison 改变非线性负载的输出电流后，传统方法补偿的THD值为15.33%，改进方法补偿的THD值为10.31%。可见改进方法在非线性负载电流突变严重时，能有效改善单周控制APF的补偿效果。 4 结论 本文分析了双极性调制单相全桥并联型有源电力滤波器单周控制的原理，并且针对传统方法在非线性负载电流突变时补偿后的电网电流存在畸变的情况，提出了引入负载电流微分环节来改善对电网电流的补偿。 采用MATLAB/SIMULINK进行对比仿真，验证了增加负载电流微分环节后，在负载电流突变时能有效减少APF补偿后电网电流的畸变。该方法简单有效，增强了单周控制并联型APF的实用性。 参 考 文 献 [1] 霍磊, 刘鹏. 四桥臂有源滤波器无差拍控制策略研究[J]. 电力电容器与无功补偿, 2014, 35(6): 24-28. 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